礦用設(shè)備感知與控制系統(tǒng)的分析與應(yīng)用

郭向陽(yáng)

（沁和能源集團(tuán)有限公司永安煤礦，山西 晉城 048000）

1 設(shè)備感知與控制系統(tǒng)項(xiàng)目概況

設(shè)備感知與控制系統(tǒng)是在礦山綜合自動(dòng)化基礎(chǔ)上，對(duì)部分設(shè)備監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)進(jìn)行提升，完善監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，滿足設(shè)備全生命周期管理對(duì)多元化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的需求，并以此為基礎(chǔ)，開發(fā)設(shè)備全生命周期管理系統(tǒng)，為礦山生產(chǎn)設(shè)備智能協(xié)同管控與調(diào)度、礦山設(shè)備健康態(tài)勢(shì)分析與預(yù)測(cè)預(yù)警服務(wù)，形成礦山智慧化服務(wù)體系。由于機(jī)電設(shè)備是礦山企業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的重要設(shè)備之一，礦山機(jī)電設(shè)備的正常運(yùn)行是保障現(xiàn)代礦山高效、安全生產(chǎn)和良好經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)，一旦關(guān)鍵設(shè)備發(fā)生故障，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失將是巨大的，甚至可能危及人員的人身安全[1-6]。

沁和能源集團(tuán)永安煤礦針對(duì)礦山機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行，設(shè)計(jì)了礦用設(shè)備感知與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)結(jié)合礦上自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)狀，在部分設(shè)備綜合自動(dòng)化改造基礎(chǔ)上，收集泵房、皮帶、主提升、通風(fēng)機(jī)、變電所等系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及其他靜態(tài)信息，進(jìn)行統(tǒng)一編碼，向該礦設(shè)備協(xié)同管控及與安全生產(chǎn)智能調(diào)度系統(tǒng)提供統(tǒng)一的編碼數(shù)據(jù)。

2 礦用設(shè)備感知與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

礦用設(shè)備感知與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為3204 采區(qū)水倉(cāng)、中變主水倉(cāng)、主通風(fēng)機(jī)、主運(yùn)皮帶、副井絞車運(yùn)輸、大巷運(yùn)輸皮帶、3105 回風(fēng)順槽運(yùn)輸皮帶、3106 運(yùn)輸順槽一部皮帶、3106 切眼運(yùn)輸皮帶、3106 回風(fēng)順槽皮帶、3103 運(yùn)輸順槽皮帶、中央變電所、復(fù)采區(qū)變電所的遠(yuǎn)程檢測(cè)與遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，并為后續(xù)設(shè)備的故障診斷和統(tǒng)一協(xié)作調(diào)度等提供必要條件，各個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)如下。

2.1 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)各個(gè)水倉(cāng)進(jìn)行自動(dòng)化改造，將3204 采區(qū)水倉(cāng)、中變主水倉(cāng)自動(dòng)控制系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議接入礦井高速網(wǎng)絡(luò)，在地面建立統(tǒng)一的井下自動(dòng)排水監(jiān)控及管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)井下排水系統(tǒng)“少人巡視、無(wú)人值守、智能管理”，為實(shí)現(xiàn)礦井水資源的綠色排放循環(huán)利用奠定基礎(chǔ)。

2.1.1 主要工作

更換手動(dòng)閘閥為電動(dòng)閘閥2 臺(tái)；配置KGU 10 水位計(jì)2 臺(tái)；配置GYD 10 壓力變送器2 臺(tái)；配置KBA127 防爆高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，保證水倉(cāng)運(yùn)行的安全性；攝像機(jī)通過(guò)光纖接入環(huán)網(wǎng)交換機(jī)；配置控制器KJJ166 一臺(tái)，采用PLC 為控制核心，具備可相應(yīng)I/O輸入輸出，邏輯可編程，采用以太網(wǎng)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?？刂茖?duì)象為水泵電機(jī)、電動(dòng)閥門；采集水倉(cāng)水位和排水口壓力信號(hào)，以保證水泵遠(yuǎn)程控制的可靠性。系統(tǒng)接入方式如圖1 所示。

圖1 井下水倉(cāng)自動(dòng)化拓?fù)鋱D

監(jiān)測(cè)需要的所有信號(hào)，經(jīng)傳感器檢測(cè)，送入KJJ166（內(nèi)置信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊），實(shí)現(xiàn)對(duì)振動(dòng)信號(hào)的采集，并將數(shù)據(jù)信息傳送到調(diào)度監(jiān)控中心和安全生產(chǎn)指揮控制中心。地面操作員站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警顯示、故障歷史查詢、模擬量曲線顯示和報(bào)表打印。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

2.1.2 系統(tǒng)功能

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)定制開發(fā)可實(shí)現(xiàn)如下功能：

1）控制方式。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水泵房自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的功能，有以下兩種控制方式。自動(dòng)控制模式：系統(tǒng)根據(jù)水位高低自動(dòng)開泵，實(shí)現(xiàn)水泵無(wú)人值守自動(dòng)開停功能。手動(dòng)控制模式：當(dāng)系統(tǒng)退出自動(dòng)模式時(shí)，可以由操作人員通過(guò)調(diào)度室上位機(jī)上的按鈕實(shí)現(xiàn)水泵的啟停操作。

2）自動(dòng)監(jiān)測(cè)水位信號(hào)，上位機(jī)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)不同水位段水位的上升速率，從而判斷礦井的涌水量，便于管理員投入和退出水泵運(yùn)行，合理調(diào)度水泵。

3）系統(tǒng)具有通信接口功能，可與地面監(jiān)測(cè)監(jiān)控主機(jī)通信，傳送數(shù)據(jù)，交換信息，實(shí)現(xiàn)水泵監(jiān)控功能。

4）在上位機(jī)上動(dòng)態(tài)監(jiān)控水泵及其附屬設(shè)備的運(yùn)行狀況，實(shí)時(shí)顯示水位、電動(dòng)閥門、電機(jī)開停等參數(shù)，超限報(bào)警，故障點(diǎn)自動(dòng)閃爍。具有故障記錄，支持歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

5）上位機(jī)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)清晰、簡(jiǎn)捷、易懂，便于模擬，運(yùn)行速度快等特點(diǎn)。

2.2 皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1 主運(yùn)皮帶

1）現(xiàn)場(chǎng)情況：主運(yùn)皮帶由4 臺(tái)變頻器控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控。但是沒有安裝振動(dòng)和溫度傳感器，無(wú)法判斷電機(jī)和減速機(jī)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況，不能判斷電機(jī)和減速機(jī)是否健康運(yùn)轉(zhuǎn)。前面設(shè)計(jì)中己增設(shè)光纖溫度和震動(dòng)傳感器，本部分內(nèi)容主要是對(duì)電機(jī)里預(yù)埋的溫度傳感器進(jìn)行信息采集及傳輸。

2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)：每臺(tái)電機(jī)預(yù)埋5 個(gè)溫度傳感器（前后軸承和三相定子），共計(jì)2 臺(tái)。增設(shè)溫度巡檢儀將監(jiān)測(cè)的所有信號(hào)，送入KJJ166（內(nèi)置信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊），并將數(shù)據(jù)信息傳送到調(diào)度監(jiān)控中心和生產(chǎn)設(shè)備控制中心。地面操作員站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警顯示、故障歷史查詢、模擬量曲線顯示和報(bào)表打印。

3）系統(tǒng)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示；實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警；報(bào)警記錄和查詢；歷史曲線；數(shù)據(jù)報(bào)表。

2.2.2 大巷皮帶

1）現(xiàn)場(chǎng)情況：大巷皮帶由2 臺(tái)軟啟動(dòng)器控制，實(shí)現(xiàn)就地監(jiān)測(cè)監(jiān)控。沒有實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控，也沒有安裝振動(dòng)和溫度傳感器，無(wú)法判斷電機(jī)和減速機(jī)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)情況，不能判斷電機(jī)和減速機(jī)是否健康運(yùn)轉(zhuǎn)。

2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)：根據(jù)國(guó)家關(guān)于深入推進(jìn)三化融合發(fā)展的指導(dǎo)思想，本次改造內(nèi)容有：實(shí)現(xiàn)皮帶遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)監(jiān)控；增加溫度和振動(dòng)傳感器；通過(guò)KJJ166 采集信號(hào)，上傳至地面集控中心；每臺(tái)電機(jī)預(yù)埋溫度傳感器，共計(jì)4 臺(tái)；2 臺(tái)軟啟動(dòng)器和2 臺(tái)減速機(jī)安裝水平和垂直振動(dòng)傳感器，共計(jì)8 臺(tái)。皮帶溫度和振動(dòng)采集接入方式如圖2 所示。

圖2 皮帶溫度和振動(dòng)采集接入方式圖

地面操作員站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警顯示、故障歷史查詢、模擬量曲線顯示和報(bào)表打印。該系統(tǒng)具有運(yùn)行可靠、操作方便、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)。

3）系統(tǒng)功能：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示；實(shí)時(shí)語(yǔ)音報(bào)警；報(bào)警記錄和查詢；歷史曲線；數(shù)據(jù)報(bào)表。

2.3 采區(qū)變電所自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)情況

中央變電所高爆開關(guān)10 臺(tái)，復(fù)采區(qū)變電所高爆開關(guān)11 臺(tái)，內(nèi)置綜合保護(hù)器。

2.3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)增加KJXJ660 隔爆型控制器二臺(tái)，內(nèi)含通信管理機(jī)，與電力綜合保護(hù)器通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)高爆開關(guān)的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，采區(qū)變電所自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)接入情況如圖3 所示。

圖3 中央變電所、復(fù)采區(qū)變電所自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)接入原理圖

2.3.3 系統(tǒng)功能

電力保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能：綜合保護(hù)功能；故障顯示報(bào)警功能；數(shù)據(jù)顯示、查詢功能；定值功能；遙控功能；電力系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視功能；管理功能。

3 應(yīng)用效果分析

當(dāng)前，永安煤礦感知與控制系統(tǒng)已完成了設(shè)備安裝、功能實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)接入、上位機(jī)開發(fā)等工作。從永安煤礦感知與控制系統(tǒng)的自檢報(bào)告可知，該系統(tǒng)應(yīng)用后，可以實(shí)現(xiàn)3204 采區(qū)水倉(cāng)、中變主水倉(cāng)、主運(yùn)皮帶、大巷皮帶、中央變電所、復(fù)采區(qū)變電所的遠(yuǎn)程檢測(cè)與遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，各個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)據(jù)采用標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議接入礦井高速網(wǎng)絡(luò)，以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)接口提供給上層第三方系統(tǒng)，系統(tǒng)地面操作員站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和報(bào)警顯示故障歷史查詢、模擬量曲線顯示和報(bào)表打印，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

感知與控制系統(tǒng)對(duì)井下主要設(shè)備控制、運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)備全生命狀態(tài)進(jìn)行綜合管控，將設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)管理信息、控制狀態(tài)整體呈現(xiàn)，打通了設(shè)備需求規(guī)劃、實(shí)時(shí)控制和管理維護(hù)多方面的內(nèi)在連接，并通過(guò)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)接口向物聯(lián)網(wǎng)示范工程其它上層分析系統(tǒng)提供全方位設(shè)備信息，輔助完成設(shè)備智能故障診斷、多設(shè)備統(tǒng)一協(xié)作調(diào)度等功能。